第5章工具钢.docx
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第5章工具钢
第5章工具钢
5.1概述
工具钢是用以制造各种加工工具的钢种。
根据用途不同,工具钢可分为刃具用钢、模具用钢和量具用钢。
按化学成分不同,工具钢又可分为碳素工具钢、合金工具钢和高速钢。
各类工具钢由于工作条件和用途不同,所以对性能的要求也不同。
但各类工具钢除了具有各自的特殊性能之外,在使用性能及工艺性能上也有许多共同的要求。
如高硬度、高耐磨性是工具钢最重要的使用性能之一。
工具若没有足够高的硬度是不能进行切削加工的,否则在应力作用下,工具的形状和尺寸都要发生变化而失效。
高耐磨性则是保证和提高工具寿命的必要条件。
除了上述共性之外,不同用途的工具钢也有各自的特殊性能要求。
例如,刃具钢除要求高硬度、高耐磨性外,还要求红硬性及一定的强度和韧性。
冷模具钢要求高硬度、高耐磨性、较高的强度和一定的韧性:
热模具钢则要求高的韧性和耐热疲劳性及一定的硬度和耐磨性。
对于量具钢,除要求具有高硬度、高耐磨性外,还要高的尺寸稳定性。
在化学成分上,为了使工具钢尤其是刃具钢具有高的硬度,通常都使其含有较高的碳(含碳量为0.65%~1.55%),以保证淬火后获得高碳马氏体,从而得到高的硬度和切断抗力,这对减少和防止工具损坏是有利的。
此外,高的含碳量还可以形成足够数量的碳化物,以保证高的耐磨性。
所加入的合金元素主要是使钢具有高硬度和高耐磨性的一些碳化物形成元素。
如Cr、W、Mo、V等。
有时也加入Mn和Si,其目的主要是增加钢的淬透性,以达到减少钢在热处理时的变形,同时增加钢回火稳定性。
对于切削速度较高的刃具,常加入较多的W、Mo、V、Co等合元素,以提高钢的红硬性。
工具钢对钢材的纯洁度要求很严,对S、P含量一般均限制在0.02%~0.03%以下,属于优质钢或高级优质钢。
钢材出厂时,其化学成分、脱碳层、碳化物不均匀度等均应符合国家有关标准规定,否则会影响工具钢的使用寿命。
生产实践表明,刃具钢理想的淬火组织应是细小的高碳马氏体和均匀细小的碳化物。
因此,刃具钢在热处理前都应进行球化退火,以使碳化物呈细小的颗粒状,且分布均匀。
这不仅对保证钢的优良切削性、耐磨性和韧性有利,而且对热处理工艺(如防止或减轻过热敏感性、变形、淬裂倾向等)亦十分有利。
经球化退火后的组织为铁素体,其基体上分布着细小均匀的粒状碳化物。
工具钢因含碳量较高,因此,在热处理淬火加热时应在盐浴炉或保护气氛条件下进行加热,否则易产生氧化脱碳现象。
值得注意的是应在淬火后及时进行回火。
对于一种工具,选用什么样的钢材合理,首先应从工具的工作条件、失效形式及性能要求出发,然后选择合适的钢种,最后再制订正确的处理工艺。
同时还应考虑工具钢的工艺性能(包括热加工性能、切削加工性能和热处理工艺性能,如钢的淬透性、淬硬性、过热敏感性、脱碳倾向性和热处理变形性能等)。
最后还应指出,一种钢可以兼有几种用途,如T8钢既可以用来制造简单模具,也可以制造量具、木工工具、钳工工具等。
这些因素在选用工具钢时,均应予以考虑。
本章主要介绍刃具钢、模具钢的工作条件、失效形式及其性能要求,阐述各类钢种的衍变、选材原则及其发挥材料性能潜力的途径。
5.2刃具用钢
刃具钢是用来制造各种切削加工工具的钢种。
刃具的种类繁多,如车刀、铣刀、刨刀、钻头、丝锥及板牙等。
其中车刀最具有代表性,车刀的工作条件基本能反映各类刃具工作条件的特点。
5.2.1刃具钢的工作条件及性能要求
刃具在切削过程中,刀刃与工件表面金属相互作用,使切屑产生变形与断裂,并从工件整体上剥离下来。
故刀刃本身承受弯曲、扭转、剪切应力和冲击、振动等负荷作用,同时还要受到工件和切屑的强烈摩擦作用。
由于切屑层金属的变形以及刃具与工件、切屑的摩擦产生大量的摩擦热,均使刃具温度升高。
切削速度越快,则刃具的温度越高,有时刀刃温度可达600℃左右。
刀刃的失效形式有多种,有的刃具刀刃处受压弯曲,有的刃具受强烈振动、冲击时崩落一块(即崩刃),有的小型刃具整体折断等等。
但这些情况毕竟比较少见,刃具较普遍的失效形式是磨损,当刃具磨削到一定程度后就不能正常工作了,否则会影响加工质量。
由上述可知,刃具钢应具有如下使用性能:
(1)为了保证刀刃能进入工件并防止卷刃,必须使刃具具有高于被切削材料的硬度(一般应在HRC60以上,加工软材料时可为HRC45-55),故刃具钢应是以高碳马氏体为基体的组织。
(2)为了保证刃具的使用寿命,应当要求有足够的耐磨性。
高的耐磨性不仅决定于高硬度,同时也决定于钢的组织。
在马氏体基体上分布着弥散的碳化物,尤其是各种合金碳化物能有效地提高刃具钢的耐磨损能力。
(3)由于在各种形式的切削加工过程中,刃具承受着冲击、振动等作用,应当要求刃具有足够的塑性和韧性,以防止使用中崩刃或折断。
(4)为了使刃具能承受切削热的作用,防止在使用过程中因温度升高而导致硬度下降,应要求刃具有高的红硬性。
钢的红硬性是指钢在受热条件下,仍能保持足够高的硬度和切削能力,这种性能称为钢的红硬性。
红硬性可以用多次高温回火后在室温条件下测得的硬度值来表示。
所以,红硬性是钢抵抗多次高温回火软化的能力,实质上这是一个回火抗力的问题。
应当指出,上述四点是对刃具钢的一般使用性能要求,而视使用条件的不同可以有所侧重。
如锉刀不一定需要很高的红硬性,而钻头工作时,其刃部热量散失困难,所以对红硬性要求很高。
此外,选择刃具钢时,应当考虑工艺性能的要求,例如,切削加工与磨削性能好,具有良好的淬透性,较小的淬火变形、开裂敏感性等各项要求都是刃具钢合金化及其选材的基本依据。
通常按照使用情况及相应的性能要求不同,将刃具钢分为:
碳素工具钢、合金工具钢和高速钢三类。
衡量一个国家工具材料的水平,常以高速钢为标准,故重点讨论之。
5.2.2碳素刃具钢
由上所述,刃具钢最基本的性能要求是:
高硬度、高耐磨性。
高硬度是保证进行切削的基本条件,高耐磨性可保证刃具有一定的寿命,即耐用度。
针对上述两个要求,最先发展起来的是碳素刃具钢。
其含碳量范围在0.65%~1.35%,属高碳钢,包括亚共析钢、共析钢和过共析钢。
碳素刃具钢除严格控制纯度外,碳量的高低对钢材性能是一个决定因素。
含碳量越高,则钢的耐磨性越好,而韧性越差。
常用的碳素工具钢有T7、T8、T9、T10、T11、T12及T13各类。
随着数字的升高,钢的硬度与耐磨性增高,而韧性逐渐下降。
常用的碳素刃具钢的成分、性能和用途如表5.1所示。
表5.1碳素工具钢的牌号、成分和用途(摘自GBA1298-77)
①淬火后硬度不是指用途举例中各种工具的硬度,而是指碳素工具钢材料在淬火后的最低硬度。
碳素刃具钢的热处理工艺为淬火+低温回火。
一般亚共析钢采用完全淬火,淬火后的组织为细针状马氏体。
过共析钢采用不完全淬火,淬火后的组织为隐晶马氏体+未溶碳化物,且由于未溶碳化物的存在,使钢的韧性较低,脆性较大,所以在使用中脆断倾向性大,应予以充分注意。
在碳素刃具钢正常淬火组织中还不可避免地会有数量不等的残余奥氏体存在。
碳素刃具钢在性能上有两个缺点、一个不足,即淬透性低,工具断面尺寸大于15mm时,水淬后只有工件表面层有高硬度,故不能做形状复杂、尺寸较大的刀具;红硬性差,当工作温度超过250℃,硬度和耐磨性迅速下降,而失去正常工作的能力;碳素刃具钢从成分上看,不含有合金元素,淬火回火后碳化物属于渗碳体型,硬度虽然可达HRC62,但耐磨性不足。
碳素刃具钢在热处理时须注意以下几点:
①碳素工具钢淬透性低,为了淬火后获得马氏体组织,淬火时工件要在强烈的淬火介质(如水、盐水、碱水等)中冷却,因而淬火时产生的应力大,将引起较大的变形甚至开裂,故而淬火后应及时回火。
②碳素刃具钢在淬火前经球化退火化理,在退火处理过程中,由于加热时间长、冷却速度慢,会有石墨析出,使钢脆化(称为黑脆)。
③碳素刃具钢由于含碳量高,在加热过程中易氧化脱碳,所以加热时须注意保护,一般用盐浴炉或在保护气氛条件下加热。
综上所述,由于碳素工具钢淬透性低、红硬性差、耐磨性不够高,所以只能用来制造切削量小、切削速度较低的小型刃具,常用来加工硬度低的软金属或非金属材料。
对于重负、尺寸较大、形状复杂、工作温度超过200℃的刃具,碳素刃具钢就满足不了工作的要求,在制造这类刃具时应采用合金刃具钢。
但碳素刃具钢成本低,在生产中应尽量考虑选用。
5.2.3低合金刃具钢
低合金刃具钢是在碳素刃具钢的基础上加入某些合金元素而发展起来的。
其目的是克服碳素刃具钢的淬透性低、红硬性低、耐磨性不足的缺点。
低合金刃具钢的含碳量在0.75%~1.5%,合金元素总量则在5%以下。
加入的合金元素为Cr、Mn、Si、W和V等。
其中Cr、Mn、Si主要是提高钢的淬透性,同时强化马氏体基体,提高回火稳定性;W和V还可以细化晶粒;Cr、Mn等可溶入渗碳体,形成合金渗碳体,有利于钢耐磨性的提高。
另外,Si使钢在加热时易脱碳和石墨化,使用中应注意。
如Si、Cr同时加入钢中则能降低钢的脱碳和石墨化倾向。
低合金刃具钢有如下特点:
淬透性较碳素刃具较好,淬火冷却可在油中进行,故热处理变形和开裂倾向小,耐磨性和红硬性也有所提高。
但合金元素的加入,提高了钢的临界点,故一般淬火温度较高,使脱碳倾向增大。
低合金刃具主要用于制作:
①截面尺寸较大且形状复杂的刃具;②精密的刃具;③切削刃在心部的刃具,此时要求钢的组织均匀性要好;④切削速度较大的刃具等。
我国冶标YB7—59列入了56种低合金刃具钢。
表5.2列出了最常用的低合金刃具钢的成分、热处理工艺、性能和用途。
表5.2常用合金刃具钢的牌号、成分和热处理规范
由表可见,合金刃具钢分为两个体系:
针对提高钢的淬透性的要求,发展了Cr、Cr2、9SiCr和CrWMn等钢。
其中9SiCr钢在油中淬火淬透直径可达40~50mm,适宜制造薄刃或切削刃在心部的工具,如板牙、滚丝轮、丝锥等。
CrWMn钢是最常用的合金刃具钢。
经热处理后硬度可达HRC64~66,且有较高的耐磨性。
CrWMn钢淬火后,有较多的残余奥氏体,使其淬火变形小,故有低变形钢之称。
生产中常用调整淬火温度和冷却介质配合,使形状复杂的薄壁工具达到微变形或不变形。
这种钢适于做截面尺寸较大、要求耐磨性高、淬火变形小,但工作温度不高的工具。
如板牙、拉刀、长丝锥、长铰刀等。
也可作量具、冷变形模具和高压油泵的精密构件(柱塞)`等。
针对提高耐磨性的要求,发展了Cr06、W、W2及CrW5等纲。
其中CrW5又称钻石钢,在水中冷却时,硬度可达HRC67~68。
主要用于制作截面尺寸不大(5~15mm)、形状简单又要求高硬度、高耐磨性的工具,如雕刻工具及切削硬材料的刃具。
合金刃具钢的热处理与碳素刃具钢基本相同,也包括加工前的球化退火和成形后的淬火与低温回火,回火温度一般为160~200℃。
合金刃具钢为过共析钢,一般采用不完全淬火。
淬火加热温度要根据工件形状、尺寸及性能要求等选定并严格控制,以保证工件质量。
另外,合金刃具钢导热性较差,对于形状复杂、截面尺寸大的工件,在淬火加热前往往先在600~650℃左右进行预热,然后再淬火加热。
一般采用油淬、分级淬火或等温淬火。
少数淬透性较低的钢(如Cr06、CrW5等钢)采用水淬。
综上所述,合金刃具钢解决了淬透性低、耐磨性不足等缺点。
但由于合金刃具钢所加合金元素数量不多,仍属于低合金范围,故其红硬性虽比碳素刃具钢高,但仍满足不了生产要求。
如回火温度达到250℃时硬度值已降到HRC60以下。
因此要想大幅度提高钢的红硬性,靠合金刃具钢难以解决,故发展了高速钢。
5.2.4高速钢
高速钢是一种高碳且含有大量W、Mo、Cr、V、Co等合金元素的合金刃具钢。
高速钢经热处理后,在600℃以下仍然保持高的硬度,可达HRC60以上,故可在较高温度条件下保持高速切削能力和高耐磨性。
同时具有足够高的强度,并兼有适当的塑性和韧性,这是其他超硬工具材料所无法比拟的。
高速钢还具有很高的淬透性,中小型刃具甚至在空气中冷却也能淬透,故有风钢之称。
同碳素刃具钢和合金刃具钢相比,高速钢的切削速度可提高2~4倍,刃具寿命提高8~xc15倍。
“工欲善其事,必先利其器”。
制造“利器”必须使用好的材料。
而高速钢正是具有优越性能、能够进行高速切削的刃具材料。
高速钢伴随世界工业的发展而发展,并对工业的发展起到促进的作用。
高速钢广泛用于制造尺寸大、切削速度快、负荷重及工作温度高的各种机加工工具。
如车刀、刨刀、拉刀、钻头等。
此外,还可应用在模具及一些特殊轴承方面。
总之,现代工具材料高速钢仍占刃具材料总量的65%,而产值则占70%左右。
所以高速钢自问世以来,经百年使用而不衰。
5.2.4.1高速钢的化学成分
高速钢是含有大量W、Mo、Cr、V、及Co的高碳高合金钢。
高速钢成分大致范围如下:
C0.7%~1.65%、W0%~22%、Mo0%~10%、约Cr4%、V1%~5%、Co0%~12%,高速钢中也往往含有其它合金元素如Al、Nb、Ti、Si及稀土元素,总量小于2%。
①碳的作用。
碳在淬火加热时溶入基体
相中,提高了基体中碳的浓度,这样既可提高钢的淬透性,又可获得高碳马氏体,进而提高了硬度。
高速钢中碳与合金元素Cr、W、Mo、V等形成合金碳化物,可以提高硬度、耐磨性和红硬性。
高速钢中含碳量必须与合金元素相匹配,过高过低都对其性能有不利影响,每种钢号的含碳量都限定在较窄的范围。
所以G.斯蒂文(G.steven)在前人工作的基础上,通过对62个试验钢的研究,于1964年提出平衡碳理论,认为高速钢中含碳量应该满足下式
Cp=0.033W+0.063Mo+0.060Cr+0.200V
此式称为G.steven的平衡碳计算式,式中化学符号代表相应元素在钢中的质量分数,%。
②合金元素的作用。
高速钢的合金化主要是围绕提高红硬性这一中心环节而展开的。
加入合金元素Cr、W、Mo、V等,以形成大量细小、弥散、坚硬而又不易聚集长大的合金碳化物,以造成二次硬化效应。
通常所形成的强化相有M2C型(如W2C、Mo2C)、MC型碳化物(如VC)、M23C6型碳化物(如Cr23C6)等。
这些碳化物硬度很高,如VC的硬度可高达HV2700-2990,并且在高温下不易发生聚集长大。
另外,W的存在可提高马氏体的高温稳定性。
W系高速钢在450~600℃还能保持马氏体晶格特征,以维持高的硬度。
同时也使W的碳化物在560℃仍保持极为细小的尺寸,于是提供了二次硬化的能力。
由于刃具进行高速切削时,使用温度大体在500~600℃以上,故高速钢实际上是一种热强钢,即高速钢基体有一定的热强性,而合金元素Cr、W、Mo等高温下固溶强化效果显著,使基体有一定的热强性。
这便是高速钢含有大量的Cr、W、Mo等合金元素的目的。
此外,也应指出,Cr的良好作用在于提高钢的淬透性与耐磨性。
Cr还能使高速钢在切削过程中的抗氧化作用增强,形成较多致密的氧化膜,并减少粘刀现象,从而使刃具的耐磨性与切削性能提高。
有些高速钢中加Co元素可显著提高钢的红硬性,如W2Mo10Cr4Co8(美国M42)钢在650~660℃时还具有很高的红硬性。
Co虽然不是碳化物形成元素,但在退火状态下大部分Co处于
-Fe中,在碳化物MoC中仍有一定的溶解度;Co可提高高速钢的熔点,从而使淬火温度提高,使奥氏体中溶解更多的W、Mo、V等合金元素,可强化基体;Co可促进回火时合金碳化物的析出,还可以起减慢碳化物长大的作用,因此Co可通过细化碳化物而使钢的二次硬化能力和红硬性提高;Co本身可形成CoW金属间化物,产生弥散强化效果,并能阻止其它碳化物聚集长大。
综上所述,由于高速钢的成分特点,便决定了高速钢在一定的热处理工艺条件下,具有淬透性好、耐磨性好及红硬性高的性能特点。
5.2.4.2高速钢的铸态组织及其压力加工
高速钢在成分上差异较大,但主要合金元素大体相同,所以其组织也很相似。
以W18Cr4V钢为例,当钢液接近平衡冷却时,其在室温下的平衡组织为莱氏体+珠光体+碳化物。
但在实际生产中,高速钢铸锭冷却速度较快,得不到上述平衡组织,这样,高速钢的
铸态组织由鱼骨状莱氏体、黑色组织
共析体及马氏体加残余奥氏体所组成,如图5.1所示。
高速钢的铸态组织中出现莱氏体,故又称高速钢为莱氏体钢。
高速钢铸态组织中的碳化物含量多达18%~27%,且分布极不均匀。
虽然铸锭组织经过开坏和轧制,但碳化物的不均匀性仍非常显著。
这种不均匀性对钢的力学性能
图5.1高速钢铸态组织
和工艺性能及所制工具的使用寿命均有很大影响。
例如:
①碳化物的不均匀分布,如带状、网状、大颗粒、大块堆集等均使钢材的力学性能呈各向异性,并降低钢的强度及塑性、韧性。
②碳化物尺寸及分布不均匀会使加热过程中碳化物向奥氏体中溶解的程度发生变化,导致淬火马氏体中的含碳量及合金元素含量不均匀,以及残余奥氏体的多少和分布不均匀,使刃具的硬度和红硬性降低。
③碳化物不均匀程度加大时,导致淬火加热时晶粒度大小不同,而易于产生过热甚至过烧。
④碳化物分布不均匀,淬火加热时奥氏体的形成不均匀,导致产生较大的应力集中,容易引起工具变形,还可能导致淬火裂纹甚至开裂。
⑤碳化物不均匀程度的增大,能降低高速钢的抗磨损性能,并使刃具容易崩刃。
综上所述,高速钢的铸态组织具有碳化物和化学成分的不均匀性,给钢的使用性能和工艺性能带来很大弊端。
因此,在钢材进厂后,应根据规定标准对其原始组织进行检验,合格后才可使用。
为了提高碳化物的均匀性,首先要改善高速钢中原始碳化物分布的状态。
其主要措施是:
向液体金属中加入合金元素Zr、Nb、Ti及Ce等变质剂,增加结晶核心,用以细化共晶碳化物;在钢液结晶过程中,加超声振荡或电磁搅拌,采用连续铸造法,由于冷却迅速共晶碳化物析出的时间短,形成很细的组织;采用反复锻造方法,将共晶碳化物打碎,使其分布均匀。
高速钢仅锻造一次是不够的,往往要经过二次、三次,甚至多次的镦粗、拔长,锻造比越大越好。
实际上,反复镦拔总的锻造比达10左右时,效果最佳。
高速钢的始锻温度为1100℃,终锻温度为850~890℃,锻后灰坑缓冷。
锻后硬度为HB240~270左右。
近年来,国内外开始应用粉末冶金方法制造高速钢,可获得细小、分布均匀、无偏析的碳化物,从而使切削寿命大大提高。
5.2.4.3高速钢的热处理
高速钢的热处理包括:
机械加工前的球化退火处理和成形后的淬火回火处理。
高速钢的热处理工艺曲线如图5.2所示,
图5.2W18Cr4V钢的热处理工艺曲线
1)高速钢球化退火
高速钢锻造以后必须经过球化退火,其目的不仅在于降低钢的硬度,以利于切削加工,而且也为以后的淬火做好组织准备。
另外,返修工件在第二次淬火前也要进行球化退火,否则,第二次淬火加热时,晶粒将过分长大而使工件变脆。
高速钢的退火工艺有普通退火、等温退火两种。
高速钢的退火温度为Acl+30~50℃,必须严格控制退火加热温度。
退火后的显微组织为索氏体基体上分布着均匀、细小的碳化物颗粒,其碳化物类型为M6C型、M23C6型及MC型。
以W18Cr4V钢为例,退火后的硬度为HB207-255。
某些要求高表面光洁度的刃具,可在退火后进行一次调质处理,然后再进行切削加工。
2)高速钢淬火
高速钢的淬火工艺比较特殊即经过两次预热、高温淬火,然后再进行三次高温回火。
高速钢淬火时进行两次预热,其原因在于:
①高速钢中含有大量合金元素,导热性较差,如果把冷的工件直接放入高温炉中,会引起工件变形或开裂,特别是对大型复杂工件则更为突出。
②高速钢淬火加热温度大多数在1200℃以上,如果先预热,可缩短在高温处理停留的时间,这样可减少氧化脱碳及过热的危险性。
高速钢第一次预热温度在600~650℃,可烘干工件上的水分。
第二次预热温度在800~820℃,使索氏体向奥氏体的转变可在较低温度内发生。
高速钢中含有大量难熔的合金碳化物,淬火加热温度必须足够高才可使合金碳化物溶解到奥氏体中,淬火之后马氏体中的合金元素含量才足够高,而只有合金元素含量高的马氏体才具有高的红硬性。
图5.3已经表示出了淬火温度对奥氏体(或马氏体)内合金元素含量的影响。
由图可知,对高速钢红硬性影响最大的合金元素是W、Mo及V,只有在1000℃以上时,其溶解量才急剧增加。
温度超过1300℃时,各元素溶解量虽然还有增加,但奥氏体晶粒则急剧长大,甚至在晶界处发生熔化现象,致使钢的强度、韧性下降。
所以在不发生过热的前提下,高速钢淬火温度越高,其红硬性越好。
在生产中常以淬火状态奥氏体晶粒的大小来判断淬火加热温度是否合适,对高速钢来说,合适的晶粒度为9.5~10.5级。
淬火冷却通常在油中进行,但对形状复杂、细长杆状或薄片零件可采用分级淬火和等温淬火等方法。
分级淬火后使残余奥氏体量增加20%~30%,使工件变形、开裂倾向减少,使强度、韧性提高。
油淬及分级淬火后的组织为:
马氏体+碳化物+残余奥氏体。
如图5.4所示。
图5.318-4-1钢固溶体成分与淬火温度的关系
图5.418-4-1钢淬火态组织形貌
等温淬火也称奥氏体淬火,也有人称之为无变形淬火。
等温淬火和分级淬火相比,其主要淬火组织中除马氏体、碳化物、残余奥氏体外,还有下贝氏体。
等温淬火可进一步减小工件变形,并提高韧性。
最后应提出,分级淬火的分级温度停留时间一般不宜太长,否则二次碳化物可能大量析出。
等温淬火所需时间较长,随等温时间不同,所获得贝氏体量不同,在生产中通常只能获得40%的贝氏体。
而等温时间过长可大大增加残余奥氏体量,这需要在等温淬火后进行冷处理或采用多次回火来消除残余奥氏体。
否则将会影响回火后的硬度及热处理质量。
3)高速钢回火
为了消除淬火应力、稳定组织、减少残余奥氏体量、达到所需要的性能,高速钢一般要进行三次560℃的高温回火处理。
高速钢的回火转变比较复杂,在回火过程中马氏体和残余奥氏体发生变化,过剩碳化物在回火时不发生变化。
通常在淬火状态下,W18Cr4V的组织为:
马氏体(60%—65%)+残余奥氏体(25%—30%)+未溶碳化物(约10%)。
回火时钢的硬度、强度和塑性与回火温度的有关系如图5.5所示。
图5.5W18Cr4V钢的硬度和机械性能与回火温度的关系
由图可以看出,在150~250℃回火时,马氏体中的含碳量开始下降并析出
碳化物,使硬度略有下降,而强度、塑性有所提高。
在250~400℃回火时,马氏体的含碳量进一步降低,析出渗碳体型碳化物,并沿晶界或滑移面发生不均匀聚集、长大,使硬度从HRC63~60降到HRC58~60,强度和塑性也有所下降。
在400~500℃回火时,析出较为细小分散的Cr23C6型碳化物,使硬度稍有提高(至HRC61)。
在500~600℃回火时,钢的硬度、强度和塑性均有提高,而在550~570℃可达到硬度最大值。
在此温度区间,自马氏体中析出弥散的W、Mo、V的碳化物(W2C、MoC、VC),使钢的硬度大大提高,这种现象称为二次硬化现象。
与此同时,残余奥氏体的压应力松弛,残余奥氏体中析出碳化物,降低碳和合金元素的含量,使其稳定性降低,
s点升高,从而在回火的冷却过程中转变为马氏体,使硬度进一步提高,此称之为二次淬火效应。
但与二次硬化现象相比,其作用要小一些。
总之,在回火过程中产生二次硬化现象和二次淬火效应,使硬度从淬火态HRC60~63提高到HRC63~66(回火后)。
在600℃以上回火,发生碳化物的聚集,而使钢的硬度下降。
高速钢淬火后的残余奥氏体量达25%~30%,第一次回火后仍有10%左右残余奥氏体未能转变,因而需进行第二次回火,以使残余奥氏体继续转变,并使第一次回火冷却时形成的马氏体回火,消除二次淬火时形成的内应力。
如此连续进行三次高温回火后,残余奥氏体量可保持低于5%左右。
高速钢经回火后的组织为回火马氏体(70%~65%)+碳化物(20%~25%)+残余奥氏体(<5%),其金相组织如图5.6所示。
为了减少回火次数,可进行冷处理,即淬火后在室温停留不超过30~60min,立即
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- 第5章 工具钢